Magnetic anisotropy from single atoms to large monodomain islands of Co/Pt(111)

Pietro Gambardella; Stefano Rusponi; T. Cren; Nicolas Weiss; Harald Brune

doi:10.1016/j.crhy.2004.11.004

Magnetic anisotropy from single atoms to large monodomain islands of Co/Pt(111)

Presented by: Guy Laval

Pietro Gambardella ¹; Stefano Rusponi ¹; T. Cren ¹; Nicolas Weiss ¹; Harald Brune ¹

¹ Institut de physique des nanostructures, École polytechnique federale de Lausanne, CH-1015 Lausanne, Switzerland

Comptes Rendus. Physique, Self-organization on surfaces, Volume 6 (2005) no. 1, pp. 75-87.

Abstract
Résumé

By studying the magnetic behavior of self-assembled Co islands on a single-crystal metal surface, Pt(111), we show how the magnetic anisotropy evolves from isolated atoms to monolayer islands and films. Single Co adatoms are found to have a giant magnetocrystalline anisotropy energy of $E_{a} = 9.3 \pm 1.6 meV / atom$ arising from the combination of partly preserved orbital moments $(m_{L} = 1.1 μ_{B})$ and strong spin-orbit coupling induced by the Pt substrate. Combined scanning tunneling microscopy and X-ray magnetic circular dichroism experiments performed for differently sized small two-dimensional Co islands establish a clear connection between $E_{a}$ and $m_{L}$ , both quantities decrease sharply with the lateral coordination of the magnetic atoms. In accordance with this, Kerr magnetometry experiments, again performed in conjunction with scanning tunneling microscopy, reveal that the anisotropy energy of large two-dimensional Co islands is almost entirely determined by the relatively low number of perimeter atoms, having $E_{a} = 0.9 \pm 0.1 meV / atom$ . These results confirm theoretical predictions and are of fundamental value the understanding of how the magnetic anisotropy develops in finite-size magnetic particles. Identification of the role of perimeter and surface atoms opens up new opportunities for engineering the anisotropy and the moment of a magnetic nanostructure.

En étudiant les propriétés magnétiques de particules de Co auto assemblées sur une surface d'orientation (111) d'un monocristal de Pt, nous montrons comment l'anisotropie magnétique évolue de l'atome isolé aux îlots monocouches et aux films ultraminces. Nous trouvons que les atomes de Co isolés adsorbés en surface ont une énergie d'anisotropie magnétocrystalline de $E_{a} = 9.3 \pm 1.6 meV / atome$ provenant de la combinaison d'un moment orbital conservé $(m_{L} = 1.1 μ_{B})$ et d'un fort couplage spin-orbite induit par le substrat de Pt. Des expériences combinées de microscopie à effet tunnel et de dichroïsme circulaire magnétique à rayons X, effectués sur des îlots de Co de petit taille établissent une connexion claire entre $E_{a}$ et $m_{L}$ , chacune de ces quantités décroissant rapidement avec la coordination latérale des atomes magnétiques. En conformité avec ceci, nous trouvons en employant la magnétométrie par effet Kerr et le microscope à effet tunnel que l'énergie d'anisotropie de grands îlots bidimensionnels de Co est presque entièrement déterminée par le nombre relativement faible d'atomes au périmètre, ayant $E_{a} = 0.9 \pm 0.1 meV / atome$ . Ces résultats confirment les prédictions théoriques et sont d'un intérêt fondamental pour comprendre comment l'anisotropie magnétique se développe dans les particules magnétiques de taille finie. L'identification du rôle des atomes au périmètre et des atomes de surface ouvre de nouvelles opportunités pour l'ingénierie de l'anisotropie et du moment de nanostructures magnétiques.

Published online: 2005-01-01

DOI: 10.1016/j.crhy.2004.11.004

Keywords: Magnetism, Magnetic Anisotropy, Nanostructures, STM, XMCD, MOKE
Mots-clés : Magnetisme, Anisotropie magnétique, Nanostructures

Author's affiliations:

Pietro Gambardella ¹; Stefano Rusponi ¹; T. Cren ¹; Nicolas Weiss ¹; Harald Brune ¹

¹ Institut de physique des nanostructures, École polytechnique federale de Lausanne, CH-1015 Lausanne, Switzerland

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Pietro Gambardella; Stefano Rusponi; T. Cren; Nicolas Weiss; Harald Brune. Magnetic anisotropy from single atoms to large monodomain islands of Co/Pt(111). Comptes Rendus. Physique, Self-organization on surfaces, Volume 6 (2005) no. 1, pp. 75-87. doi : 10.1016/j.crhy.2004.11.004. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2004.11.004/

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